Verfeinerte Isotopenanalyse ermöglicht Klassifikation von Orchideenarten

Die erstmalige Anwendung von Häufigkeitsanalysen ermöglicht neue Erkenntnisse zur Symbiose mit Pilzen. Mit rund 25.000 Arten bilden die Orchideen eine der größten und am weitesten verbreiteten Pflanzenfamilien auf der Erde. Charakteristisch sind ihre winzigen und extrem leichten Samen. Das Trockengewicht eines einzelnen Samens liegt dabei zwischen 0,3 und 24 Mikrogramm, so dass 100.000 Samen nicht viel mehr als 1 Gramm wiegen. Einer Forschungsgruppe im Labor für Isotopen-Biogeochemie der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Gebauer ist es jetzt erstmals gelungen, die Verteilung von Kohlenstoff- und Stickstoff-Isotopen in einzelnen Orchideenkeimlingen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Isotope sind Atome, die sich allein durch die Anzahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden.

Die neuen Untersuchungen sind von erheblicher Tragweite für die Orchideenforschung. Denn sie tragen wesentlich zur Klärung der Frage bei, in welcher Entwicklungsphase und in welchem Umfang verschiedene Orchideenarten in einer Symbiose mit Pilzen leben und von diesen mit Nährstoffen versorgt werden. Über die Isotopenhäufigkeitsanalysen und die daraus zu ziehenden Konsequenzen berichtet die Forschungsgruppe in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "New Phytologist".

Vom Samen zum Keimling: Jahrelange Nährstoffversorgung durch Pilze

Jede Orchideenpflanze produziert in ihrer Samenkapsel mehrere hunderttausend Samen. Das äußerst geringe Gewicht jedes Samens hat dabei den Vorteil, dass der Wind die Samen einer Orchidee über kilometerlange Strecken hin transportieren kann und für eine großflächige Verbreitung sorgt. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Orchideensamen kein eigenes Nährgewebe besitzen. Deshalb müssen sie eine Symbiose mit Pilzen eingehen, von denen sie bis zur Entstehung von Jungpflanzen mit allen erforderlichen Nährstoffen versorgt werden. Nur so entsteht aus einem Samen allmählich ein Zellhaufen, das so genannte Protokorm. Hieraus wiederum entwickeln sich mit Unterstützung der Pilze allmählich erste Keimlinge. Diese Wachstumsprozesse sind sehr langwierig. Sie beanspruchen in der Natur normalerweise mehrere Jahre.

Wenn die Jungpflanzen erstmals an der Bodenoberfläche erscheinen, unterscheiden sich die Orchideenarten hinsichtlich ihrer weiteren Entwicklung. Die meisten von ihnen bilden grüne Blätter aus und können sich - so die übereinstimmende Auffassung der Fachwelt - aufgrund ihrer Fähigkeit zur Photosynthese eines Tages selbst ernähren und von der Nahrungszufuhr seitens der Pilze abkoppeln. Sie gelten deshalb als autotroph. Darüber hinaus aber gibt es Orchideenarten, die ihr Leben lang entweder teilweise oder sogar völlig auf die Symbiose mit Pilzen angewiesen bleiben; je nachdem, wie gut sie die Fähigkeit zur eigenen Photosynthese ausbilden und für sich nutzen. Dementsprechend werden diese Arten als partiell bzw. als vollständig mykoheterotroph bezeichnet.

Neue verfeinerte Techniken der Isotopenanalyse

Von zentraler Bedeutung für eine solche Klassifikation von Orchideenarten sind Analysen, mit denen sich zuverlässig ermitteln lässt, wie hoch die Anteile der Stickstoff- und der Kohlenstoff-Isotope einerseits in den Keimlingen und andererseits in den ausgewachsenen Pflanzen ist. Die Versorgung mit Kohlenstoff und Stickstoff durch Pilze führt zu einer Anreicherung an schweren Isotopen in den Orchideen, während diese Isotope bei einer autotrophen Lebensweise weniger häufig vorkommen. Im Labor für Isotopen-Biogeochemie am Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER) werden Isotope schon seit vielen Jahren dafür eingesetzt, Nährstoff-Flüsse innerhalb von Ökosystemen aufzuklären. "Es war eine große Herausforderung für uns, die bewährten Techniken der Isotopenanalyse so weiterzuentwickeln, dass wir sie erstmals auf die winzigen Orchideenkeimlinge anwenden konnten", berichtet Prof. Gebauer. Er würdigt dabei insbesondere die erfolgreiche Zuarbeit seitens eines Doktoranden der Universität Bayreuth und einer Doktorandin der Südböhmischen Universität Budweis in Tschechien.

Überraschende Ergebnisse bei den Keimlingsuntersuchungen

Die Untersuchungen an denjenigen Orchideen, die bislang als teilweise oder als vollständig mykoheterotroph gelten, bestätigten im Wesentlichen die bisherigen Annahmen. Denn die Häufigkeit der Stickstoff- und Kohlenstoffisotope ¹³C und ¹⁵N war in den Keimlingen dieser beiden Gruppen gleich. Sie war zudem genauso hoch wie in denjenigen Orchideen, die vollständig von den Pilzen abhängig bleiben. Die Forscher werteten dies als klares Indiz dafür, dass die von den Pilzen geleistete Versorgung der Keimlinge mit Nährstoffen sich vollständig bzw. teilweise bis ins 'Erwachsenenalter' der Orchideen fortsetzt.

Überrascht waren die Wissenschaftler jedoch von den Untersuchungen an Orchideenarten, die bisher als autotroph eingestuft wurden. Deren Keimlinge erhalten ihre Nährstoffe von ganz anderen Pilzen als die Keimlinge der teilweise oder vollständig mykoheterotrophen Orchideen. Es stellte sich heraus, dass die schweren Isotopen in den Keimlingen dieser Orchideen deutlich weniger häufig vorkommen. Die Forscher haben zudem herausgefunden, dass diese Isotopenhäufigkeitsmuster sich bis zum 'Erwachsenenalter' der Orchideen kaum verändern. "Folglich bieten diese Ergebnisse keine hinreichende Grundlage mehr für die landläufige Annahme, diese grünen Orchideen würden sich eines Tages von der Versorgung durch Pilze emanzipieren und völlig autotroph werden", erklärt Prof. Gebauer. "Wir wollen deshalb unsere Untersuchungen im Isotopenlabor fortsetzen, damit wir ein noch klareres und zuverlässigeres Bild vom Stoffaustauschzwischen Pilzen und Orchideen erhalten. "Es freut uns sehr, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft dieses spannende Forschungsprojekt auch in den nächsten Jahren weiterhin fördert."

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Quelle: Universität Bayreuth